Quartz Crystal壓電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和制造技術(shù)
來源:http://m.wyss.net.cn 作者:金洛鑫電子 2019年03月19
大自然中有非常多的結(jié)晶體礦物質(zhì)種類,大概有340多種,部分屬于珍稀晶體,但大部分在溶洞,水源附近和巖石上可以見到,大部分都被人類利用起來,電子產(chǎn)品上常用的石英晶振(Quartz Crystal)的原料就是這些結(jié)晶的礦物質(zhì)。剛開始發(fā)現(xiàn)水晶和石英具有直接壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)時(shí),都是采用天然的結(jié)晶生產(chǎn)晶振,后來因?yàn)樘烊坏氖⑺o法再滿足市場需求,且采集成本比較高,科學(xué)家們研發(fā)出了人工的晶體,代替原來的天然石英水晶。
在32個(gè)晶體類中,20個(gè)表現(xiàn)出壓電效應(yīng)(但這些中只有少數(shù)是有用的)。石英晶體缺乏對(duì)稱中心。當(dāng)力使晶格變形時(shí),晶體中正電荷和負(fù)電荷的重心可以分離,從而產(chǎn)生表面電荷。壓電效應(yīng)可以提供電路與晶體的機(jī)械特性之間的耦合。在適當(dāng)?shù)臈l件下,“良好”的壓電諧振器可以穩(wěn)定振蕩器電路的頻率。
直接壓電效應(yīng)是由居里兄弟于1880年發(fā)現(xiàn)的。他們表明當(dāng)重量放在石英晶體諧振器上時(shí),充電出現(xiàn)在水晶表面;電荷的大小與重量成正比,而且很容易以低成本大量生長,并且具有相對(duì)較高的純度和完美性。在1881年,說明了相反的壓電效應(yīng);當(dāng)向晶體施加電壓時(shí),晶體由于該效應(yīng)引起的晶格應(yīng)變而變形。當(dāng)電壓反轉(zhuǎn)時(shí),應(yīng)變反轉(zhuǎn)。
石英晶體是高度各向異性的,即,隨著晶體學(xué)方向,性質(zhì)變化很大。例如,當(dāng)在氫氟酸中蝕刻石英球時(shí),蝕刻速率沿最快蝕刻速率方向(2方向)比沿最慢方向(慢X方向)快100倍以上。石英的常數(shù),例如熱膨脹系數(shù)和彈性常數(shù)的溫度系數(shù),也隨方向而變化。晶體單元可以具有零溫度頻率系數(shù),這是彈性常數(shù)的溫度系數(shù)從負(fù)值到正值的結(jié)果。
石英中零溫度系數(shù)切割的軌跡如圖7所示。選擇X,I:和2方向以使屬性描述盡可能簡單。圖5中的Z軸是石英中三重對(duì)稱的軸;換句話說,當(dāng)晶體圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)時(shí),物理性質(zhì)每120“重復(fù)一次。切口通常有兩個(gè)字母的名稱,其中名稱中的”T“表示溫度補(bǔ)償切口;例如,AT切割是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)的溫度補(bǔ)償切口。FC-,IT-,BT-和RT-切割是沿零溫度系數(shù)軌跡的其他切割。對(duì)于某些特殊屬性,過去(在發(fā)現(xiàn)SC切割之前)對(duì)這些切割進(jìn)行了研究,但今天很少使用。最高穩(wěn)定性的石英晶體振蕩器采用SC切割或AT切割晶體單元。 AT,F(xiàn)C。英尺。SC。BT。和RT cuts在我的kxi零溫度系數(shù)削減。LC是一個(gè)Wwar wdficienf' wfmat用于fhennomefer。
Y-Cut:=+90ppmpc
(厚度剪切模式)
X-Cut:“-20ppmm
(伸展模式) 因?yàn)?a href="http://m.wyss.net.cn/Clockcrystal/" target="_blank">時(shí)鐘晶體單元的性質(zhì)很大程度上取決于晶體板的切割角度,所以在晶體單元的制造中,板沿著相對(duì)于晶軸的精確控制的方向從石英棒上切割下來。通過X射線衍射檢查板的取向。在某些應(yīng)用中,必須以幾秒角的精度控制方向。在成形為所需尺寸后,將金屬電極施加到晶片上。具有圓形電極的圓形板是最常用的幾何形狀,盡管坯料和電極也可以是其他幾何形狀。電極晶片安裝在支架結(jié)構(gòu)中[38]。圖8顯示了用于頻率大于1MHz的諧振器的兩種常見類型的支架結(jié)構(gòu)。(石英表中使用的32.768K音叉諧振器通常封裝在小型管狀外殼中。)由于石英是壓電的,施加在電極上的電壓會(huì)使石英板輕微變形。由交流電壓引起的變形量取決于所施加電壓的頻率與晶體的自然機(jī)械共振的接近程度。為了描述諧振器的行為,必須用適當(dāng)?shù)姆椒ㄇ蠼馀nD運(yùn)動(dòng)連續(xù)體和麥克斯韋方程的運(yùn)動(dòng)定律的微分方程。 由于石英是各向異性的和壓電的,具有十個(gè)獨(dú)立的線性常數(shù)和許多高階常數(shù),因此這些方程很復(fù)雜,并且從未以封閉形式求解物理可實(shí)現(xiàn)的三維諧振器。幾乎所有的理論著作都使用了近似值。非線性彈性常數(shù)雖小,但卻是石英晶體振蕩器的一些重要不穩(wěn)定性的來源,如加速度靈敏度,熱瞬態(tài)效應(yīng)和幅頻效應(yīng),本章將對(duì)其進(jìn)行討論。
在理想的諧振器中,振動(dòng)的幅度在電極的中心處最大;如圖9右下部分所示,它在電極外呈指數(shù)下降。在適當(dāng)設(shè)計(jì)的諧振器中,安裝和連接結(jié)構(gòu)損失的能量可忽略不計(jì),即諧振器的邊緣必須無效能夠具有高Q.諧振器表面上的點(diǎn)的位移與驅(qū)動(dòng)電流成比例。在(例如,低頻-MHz)厚度剪切SMD晶振中使用的典型驅(qū)動(dòng)電流下,峰值位移大約為幾個(gè)原子間距。(電極上的點(diǎn)的峰值加速度大約為100萬g。) 現(xiàn)代科技發(fā)展速度越來越快,石英和水晶這種礦物質(zhì)也發(fā)揮了更大的作用,石英晶體諧振器和石英晶體振蕩器被應(yīng)用到成千上萬種不同的產(chǎn)品身上,而且種類也越來越多,相關(guān)的工藝和技術(shù)每年都在突破。時(shí)代在進(jìn)步,晶振也在進(jìn)步,從最初的音叉型32.768K到現(xiàn)在高端的OCXO振蕩器,差分晶振,烤箱恒溫晶體振蕩器等類型,經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展變化。
在32個(gè)晶體類中,20個(gè)表現(xiàn)出壓電效應(yīng)(但這些中只有少數(shù)是有用的)。石英晶體缺乏對(duì)稱中心。當(dāng)力使晶格變形時(shí),晶體中正電荷和負(fù)電荷的重心可以分離,從而產(chǎn)生表面電荷。壓電效應(yīng)可以提供電路與晶體的機(jī)械特性之間的耦合。在適當(dāng)?shù)臈l件下,“良好”的壓電諧振器可以穩(wěn)定振蕩器電路的頻率。
直接壓電效應(yīng)是由居里兄弟于1880年發(fā)現(xiàn)的。他們表明當(dāng)重量放在石英晶體諧振器上時(shí),充電出現(xiàn)在水晶表面;電荷的大小與重量成正比,而且很容易以低成本大量生長,并且具有相對(duì)較高的純度和完美性。在1881年,說明了相反的壓電效應(yīng);當(dāng)向晶體施加電壓時(shí),晶體由于該效應(yīng)引起的晶格應(yīng)變而變形。當(dāng)電壓反轉(zhuǎn)時(shí),應(yīng)變反轉(zhuǎn)。
石英晶體是高度各向異性的,即,隨著晶體學(xué)方向,性質(zhì)變化很大。例如,當(dāng)在氫氟酸中蝕刻石英球時(shí),蝕刻速率沿最快蝕刻速率方向(2方向)比沿最慢方向(慢X方向)快100倍以上。石英的常數(shù),例如熱膨脹系數(shù)和彈性常數(shù)的溫度系數(shù),也隨方向而變化。晶體單元可以具有零溫度頻率系數(shù),這是彈性常數(shù)的溫度系數(shù)從負(fù)值到正值的結(jié)果。
石英中零溫度系數(shù)切割的軌跡如圖7所示。選擇X,I:和2方向以使屬性描述盡可能簡單。圖5中的Z軸是石英中三重對(duì)稱的軸;換句話說,當(dāng)晶體圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)時(shí),物理性質(zhì)每120“重復(fù)一次。切口通常有兩個(gè)字母的名稱,其中名稱中的”T“表示溫度補(bǔ)償切口;例如,AT切割是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)的溫度補(bǔ)償切口。FC-,IT-,BT-和RT-切割是沿零溫度系數(shù)軌跡的其他切割。對(duì)于某些特殊屬性,過去(在發(fā)現(xiàn)SC切割之前)對(duì)這些切割進(jìn)行了研究,但今天很少使用。最高穩(wěn)定性的石英晶體振蕩器采用SC切割或AT切割晶體單元。 AT,F(xiàn)C。英尺。SC。BT。和RT cuts在我的kxi零溫度系數(shù)削減。LC是一個(gè)Wwar wdficienf' wfmat用于fhennomefer。
Y-Cut:=+90ppmpc
(厚度剪切模式)
X-Cut:“-20ppmm
(伸展模式) 因?yàn)?a href="http://m.wyss.net.cn/Clockcrystal/" target="_blank">時(shí)鐘晶體單元的性質(zhì)很大程度上取決于晶體板的切割角度,所以在晶體單元的制造中,板沿著相對(duì)于晶軸的精確控制的方向從石英棒上切割下來。通過X射線衍射檢查板的取向。在某些應(yīng)用中,必須以幾秒角的精度控制方向。在成形為所需尺寸后,將金屬電極施加到晶片上。具有圓形電極的圓形板是最常用的幾何形狀,盡管坯料和電極也可以是其他幾何形狀。電極晶片安裝在支架結(jié)構(gòu)中[38]。圖8顯示了用于頻率大于1MHz的諧振器的兩種常見類型的支架結(jié)構(gòu)。(石英表中使用的32.768K音叉諧振器通常封裝在小型管狀外殼中。)由于石英是壓電的,施加在電極上的電壓會(huì)使石英板輕微變形。由交流電壓引起的變形量取決于所施加電壓的頻率與晶體的自然機(jī)械共振的接近程度。為了描述諧振器的行為,必須用適當(dāng)?shù)姆椒ㄇ蠼馀nD運(yùn)動(dòng)連續(xù)體和麥克斯韋方程的運(yùn)動(dòng)定律的微分方程。 由于石英是各向異性的和壓電的,具有十個(gè)獨(dú)立的線性常數(shù)和許多高階常數(shù),因此這些方程很復(fù)雜,并且從未以封閉形式求解物理可實(shí)現(xiàn)的三維諧振器。幾乎所有的理論著作都使用了近似值。非線性彈性常數(shù)雖小,但卻是石英晶體振蕩器的一些重要不穩(wěn)定性的來源,如加速度靈敏度,熱瞬態(tài)效應(yīng)和幅頻效應(yīng),本章將對(duì)其進(jìn)行討論。
在理想的諧振器中,振動(dòng)的幅度在電極的中心處最大;如圖9右下部分所示,它在電極外呈指數(shù)下降。在適當(dāng)設(shè)計(jì)的諧振器中,安裝和連接結(jié)構(gòu)損失的能量可忽略不計(jì),即諧振器的邊緣必須無效能夠具有高Q.諧振器表面上的點(diǎn)的位移與驅(qū)動(dòng)電流成比例。在(例如,低頻-MHz)厚度剪切SMD晶振中使用的典型驅(qū)動(dòng)電流下,峰值位移大約為幾個(gè)原子間距。(電極上的點(diǎn)的峰值加速度大約為100萬g。) 現(xiàn)代科技發(fā)展速度越來越快,石英和水晶這種礦物質(zhì)也發(fā)揮了更大的作用,石英晶體諧振器和石英晶體振蕩器被應(yīng)用到成千上萬種不同的產(chǎn)品身上,而且種類也越來越多,相關(guān)的工藝和技術(shù)每年都在突破。時(shí)代在進(jìn)步,晶振也在進(jìn)步,從最初的音叉型32.768K到現(xiàn)在高端的OCXO振蕩器,差分晶振,烤箱恒溫晶體振蕩器等類型,經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展變化。
正在載入評(píng)論數(shù)據(jù)...
相關(guān)資訊
- [2024-03-04]Jauch的40MHz的石英毛坯有多厚?...
- [2023-09-21]Skyworks領(lǐng)先同行的綠色生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)...
- [2023-06-28]適合于超聲波的6G常用低成本貼片...
- [2020-07-13]應(yīng)用到晶振的質(zhì)量因數(shù)Q數(shù)字方程...
- [2020-07-03]多晶振蕩器的存在與作用還有多少...
- [2020-06-29]何時(shí)使用Oscillator與時(shí)鐘才最合...
- [2020-06-24]組成TCXO振蕩器的5個(gè)核心元器件...
- [2020-06-08]Cardinal壓控振蕩器的鎖相環(huán)基礎(chǔ)...